MCR与中性点接地小电抗参数配置研究

摘要：文章针对在高压输电系统重合闸期间产生的潜供电流，研究了利用磁控电抗器的小电抗配置补偿及控制策略。首先，分析了高压单回和同杆双回线路抑制潜供电流原理。然后利用PSCAD搭建了磁控电抗器的等效模型和高压输电线路运用磁控电抗器抑制潜供电流的仿真电路，验证了中性点小电抗与磁控电抗器协调配合抑制潜供电流理论的可行性和有效性。

关键词：高压输电线路；磁控电抗器；潜供电流；中性点小电抗

中图分类号：TM862 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2014）07-0018-03

特高压（Ultra High Voltage，UHV）输电技术的研究基于大容量、长距离输电的需求。但传统的大容量高压电抗器存在的问题有：（1）常用安装并联高压电抗器中性点接电抗来补偿相间电容，这样小电抗需要较高的绝缘水平且运行区间不灵活；（2）负荷过高输电时，系统需加增补偿无功和相应的成本；（3）输电成本会由电抗器多余损耗相应增大。本文提出利用磁控电抗器来抑制潜供电流的同时作为无功电源很好地改善供电质量及输电功率和稳定。

1 潜供电流的抑制原理

1.1 单回线路接线方法及原理

为补偿潜供电流的容性和感性分量，一般通过一组中性点通过小电抗Xm接地的星型联结的电抗器Xp，输电线路各序参数为：

（1）

式中，XL1和XL0为线路正序、零序电抗，B1和B0为线路正序、零序电纳，Bg为对地电纳，设k为电抗器的补偿度，假定线路相间等效电容处于全补偿状态。线路末端与首末端设置并联电抗加中性点小电抗分别为：

（2）

系统发生单相故障，断路器分闸后，选择电抗，相间接近全补偿，减少潜供电流。

1.2 同杆双回线路接线方法及原理

同杆双回线对地、相间和线间各补偿等效电抗如图1所示。Xd为相对地的补偿电抗，Xc为相间补偿电抗，Xj为线间补偿电抗。

图1 同杆双回线路等值示意图

根据六序分量法，图2所示的两线路相互对称关系，因此1、2、4和5序的阻抗（或导纳）相等，而0、1和3序阻抗（或导纳）不同）可表示为：

（3）

（4）

其中BCd、BCc和BCj分别为线路的对地、相间和线间容纳，且BCd=ωCg，BCc=ωCc，BCj=ωCj，设k为并联电抗器的补偿度，并假定线路相间和两回线路之间都处于全补偿状态，由式（3）、（4）可得：

（5）

2 磁控电抗器与中性点小电抗的协调控制研究

特高压输电利用磁控电抗器并联电抗器和配置中性点小电抗来抑制潜供电流。但须考虑后者配合前者不断变化容量的同时也能起到抑制要求。

2.1 磁控电抗器的控制策略

特高压电网中磁控电抗器控制基本要求是：线路的输送功率大小与磁控电抗器的容量成反比关系且能平滑的调节，其控制系统的建立基于线路传输功率与电抗器容量的关系表达式。

2.1.1 线路参数与容量的关系：

图2 输电线路和可控并联电抗的等效图

建立特高压输电线路等效图如图3所示，线路接电抗为XL的可控电抗器和有功功率为P的负载。根据分布参数传输线路理论，U1、I1和U2、I2分别为线路首末端的电压和电流，其关系表达式为：

（6）

式中：为线路长度，，导线波阻抗，令为传播角，则，。C1、L1为导线单位长度的电容和电感。

系统电源电压为：

（7）

线路末端电流为：

（8）

将（6）、（7）代入（8）得

（9）

令，，，，如果要保持线路末端电压与电源电动势相等，即Kc=1，则

（10）

2.1.2 触发角与的容量关系：磁控电抗器一般通过调节晶闸管触发角α来改变其容量的。根据触发角α与铁芯饱和度β的关系，求解以下方程：

（11）

在实际工程中，特高压模型一般为两端都为供电系统，考虑线路参数分布特性，可以把模型分解为两个单端供电系统迭加，即两个如图2所示的等效模型迭加。

并联电抗器控制系统如图3所示，测量系统产生偏差信号触发控制设备，然后间接调节磁控电抗器励磁电流来平滑改变其磁饱和度，来达到抑制电流在允许的范围内。

图3 并联电抗器控制系统

2.2 中性点可控小电抗控制策略

不同接线方式下对应的中性点电抗值可根据式（2）计算，但是工程中由于对潜供电流限制过小并没有严格的要求，所以中性点小电抗的取值不需要那么精确，只需给定一个有效范围即可，这样可以大大减小控制器的设计难度。

如式（12）与式（13）所示为并联电抗与小电抗关系：

（12）

其中，（13）

可知当XL12=XC12时，相间串联谐振，设小电抗为Xmk。当补偿度K=1时，可以得到Xp=XC1。

此时并联电抗器对地感抗大小为：

（14）

由式（14）可知，对地电容和对地补偿电感之间发生谐振，对应小电抗记作Xm0。

可知补偿度为1时，断开相回路直接成为了两个并联谐振回路的串联，这可能会导致工频过电压，应尽量避免完全补偿运行方式。且可将相间补偿度以及对地补偿可以定义为：

（15）

（16）

知道K12=f（Xm）是一个增函数，而K0=g（Xm）是一个减函数，由式（15）（16）可知当Xm/Xmk的值从小于1到大于1过程中，Kh随之从小于1到大于1，相间阻抗开始从容性变成感性；当Xm/Xm0的值从小于1到大于1过程中，K0随之从大于1到小于1，相对地的阻抗从开始感性变成容性。实际应用中，采用欠补偿，即KXC1。小电抗取Xmk时，又KLg=g（XP）为减函数，所以，Xm0

综上，Xm0

如表1所示为不同补偿度下仿真所得小电抗取值范围。

3 仿真和实验结果

3.1 潜供电流抑制的仿真研究

在EMTDC/PSCAD中搭建特高压线路仿真模型拓扑如图4所示。在线路首末端均设置并联可控电抗加中性点可控小电抗，设置线路在0.5s时发生故障，1.5s时重

合闸。

图4 小电抗控制系统

图5 加中性点可控小电抗补偿潜供电流

在仿真中加入补偿之后如图5所示，潜供电流幅值被被抑制到13A。可见，潜供电流得到了有效抑制，即验证了本文所提出的控制策略的正确性。

4 结语

本文从分析抑制潜供电流原理基础上，利用PSCAD/EMTDC仿真软件搭建了仿真在模型和按比例的低压物理模拟实验，通过计算推导得出不同补偿度下小电抗值改变时候的潜供电流值，验证磁控电抗器与中性点小电抗协调控制对抑制潜供电流效果能达到预期的目标。

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作者简介：赵训君（1980—），男，浙江省临安市供电局工程师，研究方向：电力电子。